[국내논문]순환 골재 부착 이질재의 탄산화 개질에 따른 공극구조 및 물리적 특성 Pore Structure and Physical Properties of Heterogeneous Bonding Materials of Recycled Aggregate according to Carbonation Reforming원문보기
현재, 해체되는 콘크리트는 연간 4000만톤에 이르고 있고, 전체 건설폐기물 중에서 60.8%로서 가장 큰 비중을 차지하고 있으며, 그 중의 약 97.5%는 재활용 되고 있는 것으로 알려져 있다. 그러나, 이러한 폐 콘크리트의 사용용도는 대부분 저부가가치 산업에 머물고 있는 실정이며, 향후 건축물의 노후화로 더욱 증가하는 폐 콘크리트의 발생량을 감안하면 구조용 콘크리트로의 전용이 절실하다. 따라서, 본 연구에서는 순환 골재를 구조용 콘크리트로의 적용을 위하여 부착 이질재(시멘트 페이스트 및 모르타르)의 촉진 탄산화 개질 방법을 이용하여 순환 골재의 품질 향상을 위한 최적 개질 기간의 추정을 목적으로 한다. 선행 연구를 통해 도출된 순환 골재의 부착 이질재 두께와 각 부착 두께에 적합한 탄산화 기간을 바탕으로 촉진 탄산화 진행에 따른 공극구조 특성 및 물리적 특성 변화를 분석하였다. 그 결과, 탄산화가 진행됨에 따라 부착 이질재의 세공량과 흡수율이 감소하고, 밀도는 증가하여 품질이 향상되는 경향을 나타내었으나, 일정 재령 이후에는 경향이 역전되어 품질이 저하하는 결과를 나타내었다. 따라서, 선행 연구 결과와 본 연구 시험 결과를 종합하여 순환 잔 골재와 순환 굵은 골재의 최적 탄산화 개질기간을 각각 4일, 14일로 제안하였다.
현재, 해체되는 콘크리트는 연간 4000만톤에 이르고 있고, 전체 건설폐기물 중에서 60.8%로서 가장 큰 비중을 차지하고 있으며, 그 중의 약 97.5%는 재활용 되고 있는 것으로 알려져 있다. 그러나, 이러한 폐 콘크리트의 사용용도는 대부분 저부가가치 산업에 머물고 있는 실정이며, 향후 건축물의 노후화로 더욱 증가하는 폐 콘크리트의 발생량을 감안하면 구조용 콘크리트로의 전용이 절실하다. 따라서, 본 연구에서는 순환 골재를 구조용 콘크리트로의 적용을 위하여 부착 이질재(시멘트 페이스트 및 모르타르)의 촉진 탄산화 개질 방법을 이용하여 순환 골재의 품질 향상을 위한 최적 개질 기간의 추정을 목적으로 한다. 선행 연구를 통해 도출된 순환 골재의 부착 이질재 두께와 각 부착 두께에 적합한 탄산화 기간을 바탕으로 촉진 탄산화 진행에 따른 공극구조 특성 및 물리적 특성 변화를 분석하였다. 그 결과, 탄산화가 진행됨에 따라 부착 이질재의 세공량과 흡수율이 감소하고, 밀도는 증가하여 품질이 향상되는 경향을 나타내었으나, 일정 재령 이후에는 경향이 역전되어 품질이 저하하는 결과를 나타내었다. 따라서, 선행 연구 결과와 본 연구 시험 결과를 종합하여 순환 잔 골재와 순환 굵은 골재의 최적 탄산화 개질기간을 각각 4일, 14일로 제안하였다.
At present, about 40 million tons of concrete is dismantled each year, which accounts for the largest portion of the total amount of construction waste with 60.8%. It is known about 97.5% of it is recycled. However, most of the usage of waste concrete is limited to lower value-added business areas, ...
At present, about 40 million tons of concrete is dismantled each year, which accounts for the largest portion of the total amount of construction waste with 60.8%. It is known about 97.5% of it is recycled. However, most of the usage of waste concrete is limited to lower value-added business areas, and considering the increasing amount of waste concrete generated due to the deterioration of structures, the need for converting waste concrete to structural concrete is urgent. Therefore, this study aims at estimating the period for the optimum carbonation reforming to improve the quality of recycled aggregate, by making use of the method of accelerated carbonation reforming of the bonding heterogeneous (cement paste and mortar) for the purpose of converting recycled aggregate to structural concrete. Based on the period appropriate for the heterogeneous thickness and each bonding thickness of recycled aggregate which was drawn from previous studies, the changes in the characteristics and physical properties of pore structure according to progress of accelerated carbonation were analyzed. The result shows that with the progress of carbonation, the pore volume and the percentage of water absorption of the bonding heterogeneous decreased and the density increased, which indicates improvement of the product quality. But after certain age, the tendency was reversed and the product quality deteriorated. Synthesizing the results of previous studies and those of the present study, this study proposed 4 days and 14 days respectively for the period for the optimum carbonation reforming of recycled fine aggregate and recycled coarse aggregate.
At present, about 40 million tons of concrete is dismantled each year, which accounts for the largest portion of the total amount of construction waste with 60.8%. It is known about 97.5% of it is recycled. However, most of the usage of waste concrete is limited to lower value-added business areas, and considering the increasing amount of waste concrete generated due to the deterioration of structures, the need for converting waste concrete to structural concrete is urgent. Therefore, this study aims at estimating the period for the optimum carbonation reforming to improve the quality of recycled aggregate, by making use of the method of accelerated carbonation reforming of the bonding heterogeneous (cement paste and mortar) for the purpose of converting recycled aggregate to structural concrete. Based on the period appropriate for the heterogeneous thickness and each bonding thickness of recycled aggregate which was drawn from previous studies, the changes in the characteristics and physical properties of pore structure according to progress of accelerated carbonation were analyzed. The result shows that with the progress of carbonation, the pore volume and the percentage of water absorption of the bonding heterogeneous decreased and the density increased, which indicates improvement of the product quality. But after certain age, the tendency was reversed and the product quality deteriorated. Synthesizing the results of previous studies and those of the present study, this study proposed 4 days and 14 days respectively for the period for the optimum carbonation reforming of recycled fine aggregate and recycled coarse aggregate.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 부착 시멘트 페이스트 및 모르타르를 제거하는 전처리 방법과 달리 촉진 탄산화 방법에 착목하여 순환 골재의 특성을 향상시키기 위한 최적 개질 방법의 도출을 목적으로 한다. 이에 따라, 선행 연구를 통해 도출된 순환 골재의 부착 시멘트 페이스트 및 모르타르의 두께와 각 부착 두께에 적합한 순환 골재의 탄산화 기간을 토대로 촉진 탄산화 진행에 따른 공극구조 특성 및 물리적 특성 변화를 분석하였다.
본 연구에서는 순환 골재의 탄산화 개질에 의한 물리적 특성 평가를 위하여, 선행 연구를 통해 도출된 순환 잔 골재와 순환 굵은 골재의 부착 이질재 두께와 화학적 정량분석을 통하여 각 부착 두께에 적합한 탄산화 기간을 기반으로 수행하였다.
가설 설정
이에 따라, 본 연구의 선행 연구를 통해 국내에서 유통되고 있는 순환 골재의 입도분포를 파악하여 완전한 구 형태로 가정한 순환 골재의 평균 입경 크기를 산정하였다. 또한, 염산처리에 의해 순환 잔 골재의 부착 시멘트 페이스트와 순환 굵은 골재의 모르타르의 부착 두께를 부피비에 기초하여 산출한 결과 순환 잔 골재는 Fig.
08 mm와 Fig. 1(b)와 같이 내부에 원 잔 골재를 포함하지 않는 페이스트 덩어리로 가정하여, 5 mm의 반지름인 2.5 mm로 설정하였다. 또한, Fig.
상기의 도출된 결과에 따라 순환 골재의 부착 페이스트 및 모르타르를 가정한 시험체를 순환 골재 중에 원 골재를 포함하지 않는 최악 조건의 순수 페이스트 및 모르타르 덩어리로 가정하여, 각각의 최대치수 5 mm, 25 mm로 제작하였다. 이후, 촉진 탄산화 진행에 따른 시멘트 수화물의 화학적 정량분석을 실시하여 재령 경과에 따른 탄산화 깊이 계산 데이터를 선형 회귀분석 수행 결과, Fig.
모르타르 시험체에서도 탄산화 개질 제한 기간을 초과한 경우에는 순환 골재의 품질향상 효과에 악영향을 미칠 수 있음을 보여주고 있다. 따라서, 시멘트 페이스트와 동등하게 세공량이 가장 작아지는 재령 14일을 탄산화 개질 제한 기간으로 설정하였다. 선행 연구의 TGA 결과에서 탄산화 기간 21일에서 시멘트 페이스트의 경우 공극 충전 효과에 기인하는 탄산칼슘이 18.
제안 방법
따라서, 본 연구에서는 부착 시멘트 페이스트 및 모르타르를 제거하는 전처리 방법과 달리 촉진 탄산화 방법에 착목하여 순환 골재의 특성을 향상시키기 위한 최적 개질 방법의 도출을 목적으로 한다. 이에 따라, 선행 연구를 통해 도출된 순환 골재의 부착 시멘트 페이스트 및 모르타르의 두께와 각 부착 두께에 적합한 순환 골재의 탄산화 기간을 토대로 촉진 탄산화 진행에 따른 공극구조 특성 및 물리적 특성 변화를 분석하였다.
5에 나타내었다. 알루미늄 테이프 접착면이 발생 되지 않는 내부의 A, B 부분을 재단하여 각각 공극 구조 분석 및 밀도, 흡수율 시험을 수행하였다.
탄산화 진행에 의한 물리적 특성 변화 분석을 위해 Fig. 5-B의 형태로 재단한 각각의 시험체를 Mirage사 전자 밀도계(Electronic Densimeter, EW-200SG)를 이용하여 밀도 시험을 수행하고, 굵은 골재 흡수율 시험(KS F 2503)와 동일한 방법으로 흡수율 시험을 수행하였다.
이질재 두께에 기초한 순환 골재의 부착 시멘트 페이스트 및 모르타르의 모의 시험체를 제작하여 촉진 탄산화를 실시하고, 선행 연구를 통해 도출된 각 부착 두께에 적합한 탄산화 기간을 토대로 탄산화 진행에 따른 공극 구조 특성 및 물리적 특성 변화를 분석하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.
대상 데이터
4에 나타내었다. 시험체는 순환 골재 중에 원 골재를 포함하지 않는 최악 조건의 순수 페이스트 및 모르타르 덩어리로 가정하여 각각의 최대치수 5 mm, 25 mm로 제작하였다.
이론/모형
탄산화 진행에 의한 공극 구조의 변화 분석을 위해 Fig. 5-A의 형태로 재단한 각각의 시험체를 직경 5 mm 정도의 시료로 제작하고, Micromeritics Instrument사의 기공율 분석기(Porosimeter, AutoPore IV 9520)를 이용하여 수은 압입법에 의한 시료 내의 기공의 크기 측정(Mercury Intrusion Porosimetry; MIP)을 실시하였다.
성능/효과
부착 이질재(시멘트 페이스트 및 모르타르)를 가정한 시험체의 탄산화 기간에 따른 탄산화 깊이를 선형 회귀 분석 수행한 결과, 순환 잔 골재의 평균 입경 1.82 mm에 대한 부착 시멘트 페이스트 두께 0.08 mm에 적합한 탄산화 기간은 재령 3.46일(≒4일), 순환 굵은 골재의 평균 입경 14.43 mm에 대한 부착 모르타르 두께 1.96 mm에 적합한 탄산화 기간은 재령 14.19일(≒14일)로 도출되었다. 또한, Fig.
1) 부착 이질재를 가정한 모의 시험체에서 탄산화가 진행됨에 따라 탄산칼슘의 생성에 의해 0.01~1 ㎛ 범위의 모세관 공극이 감소되는 경향을 나타내었다. 그러나, 재령 14일 이후 공극이 증가하는 결과를 나타내었고, 이것은 C-S-H의 탄산화에 따른 C-S-H 분자구조의 붕괴에 기인된 것으로 추정된다.
2) C-S-H의 탄산화에 의해 공극이 증가하는 것은 탄산칼슘의 생성에 의해 공극이 저감되는 체적보다 C-S-H 분자구조의 붕괴에 의해 공극이 증가하는 체적이 크기 때문으로 사료된다. 그리고, C-S-H의 탄산화에 의한 분자구조의 붕괴에 따른 공극 증가는 각 부착 이질재가 내포하고 있는 공극범위 중 상대적으로 큰 공극 범위에서부터 발생하였다.
3) 총 세공량은 촉진 탄산화가 진행됨에 따라 재령 14일까지 충전되는 결과를 나타내었지만, 이후 다시 증가하는 결과를 나타냈다. 따라서, 공극 충전 효과가 가장 우수한 재령 14일을 탄산화 개질 제한 기간으로 설정하였다.
4) 탄산화가 진행됨에 따라 흡수율은 감소하며, 밀도는 반대로 증가하는 경향을 나타내었다. 이는 탄산화에 의해 생성된 탄산칼슘의 증가로 밀도가 상승하였으며, 탄산칼슘은 공극 내에서 석출하기 때문에 시멘트 경화체를 밀실하게 하여 흡수율이 감소된 것으로 판단된다.
5) 부착 이질재의 두께에 적합한 탄산화 개질 기간에 대한 선행 연구와 본 연구의 탄산화 기간에 의한 공극 구조 및 물리적 특성 시험 결과를 종합하여 순환 잔 골재의 최적 탄산화 개질 기간은 4일, 순환 굵은 골재의 최적 탄산화 개질 기간은 14일로 도출하였다.
후속연구
6) 따라서, 선행연구에서 도출된 화학적 특성과 본 연구에서 도출된 물리적 특성을 종합한 결과 부착 이질재의 탄산화 개질에 따른 흡수율 저감, 밀도 향상에 의해 순환 골재의 품질향상에 기여할 수 있을 것으로 사료된다. 향후, 본 기술의 실용화를 위해서는 탄산화 개질에 의한 순환 골재 및 이를 이용한 순환 콘크리트의 품질 개선 효과에 대한 검토가 필요 할 것으로 판단된다.
6) 따라서, 선행연구에서 도출된 화학적 특성과 본 연구에서 도출된 물리적 특성을 종합한 결과 부착 이질재의 탄산화 개질에 따른 흡수율 저감, 밀도 향상에 의해 순환 골재의 품질향상에 기여할 수 있을 것으로 사료된다. 향후, 본 기술의 실용화를 위해서는 탄산화 개질에 의한 순환 골재 및 이를 이용한 순환 콘크리트의 품질 개선 효과에 대한 검토가 필요 할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고도 처리 기술이 실용화에 이르지 못하고 있는 이유는 무엇인가?
이러한 고도 처리 기술은 가열이나 기계 마모를 통한 처리방법을 등이 있으며, 이로 인해 생산된 골재는 구조용 콘크리트에 사용할 수 있는 고품질 골재의 회수가 가능하다. 3) 그러나, 고도 처리 기술은 에너지 소비량이 큰 것과 부산 미분이 대량 발생하는 등의 과제가 있어 실용화에 이르지 못하고 있다. 폐 콘크리트를 전량 이용한 품질이 낮은 콘크리트의 재활용 방법은 환경 부하 저감 및 폐기물 배출량의 억제에 큰 장점을 가지고 있지만, 건조수축 발생이 크며, 입형이 좋지 않아 단위 수량의 증가하는 등 콘크리트의 성능이 크게 떨어지기 때문에, 사용 용도가 제한적이다.
국토교통부에서 콘크리트용 순환 골재 품질기준을 공포한 이유는 무엇인가?
그러나, 이러한 폐 콘크리트의 사용용도는 노반재 및 되메우기 재료 등 저부가가치 산업에 머물고 있는 실정이다. 이에 따라 건축물의 노후화로 철거가 증가되면서 더욱 증가하는 폐 콘크리트의 재사용을 감안하면 구조용 콘크리트로의 전용이 필요하다.
폐 콘크리트를 전량 이용한 품질이 낮은 콘크리트의 재활용 방법의 단점은 무엇인가?
3) 그러나, 고도 처리 기술은 에너지 소비량이 큰 것과 부산 미분이 대량 발생하는 등의 과제가 있어 실용화에 이르지 못하고 있다. 폐 콘크리트를 전량 이용한 품질이 낮은 콘크리트의 재활용 방법은 환경 부하 저감 및 폐기물 배출량의 억제에 큰 장점을 가지고 있지만, 건조수축 발생이 크며, 입형이 좋지 않아 단위 수량의 증가하는 등 콘크리트의 성능이 크게 떨어지기 때문에, 사용 용도가 제한적이다.
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